一個高精度的量子光纖傳感方案

陳娟　賈玉華

摘 要：近十幾年來，基于在傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術優勢，量子傳感技術得到了快速發展；量子傳感技術將為提升國家信息技術水平提供非常重要的基礎支撐。本文首先介紹了量子光纖傳感的研究現狀，提出了一個實現高分辨率的強度調制型量子光纖傳感器方案，最后討論了量子光纖傳感技術的應用以及未來發展面臨的問題。

關鍵詞：量子光纖傳感 量子信息 強度調制

中圖分類號：TN911.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）03-000-02

一、概述

光纖傳感器是伴隨著光纖通信技術的發展而逐步形成的一種新型傳感器。光纖傳感器的基本原理是將光經過光纖傳到調制感應區，待測參數在感應區對光施加相互作用后，光的相應參數發生變化并成為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調和參變量轉換后獲得被測參數。光纖傳感器用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，具有光纖及光學測量的優點，抗干擾、耐腐蝕，還能適應各種惡劣的氣象環境，可以進行長距離傳輸。光纖傳感器已廣泛用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變等測量。光纖傳感器在精密測量和探測等領域發揮著十分重要的作用[1]，比如，光纖水聽器在潛艇探測方面的應用、光纖陀螺儀在精確制導武器和導航方面的應用等。目前，傳統光纖水聽器和光纖陀螺儀的測量精確度和探測靈敏度基本都達到理論極限并且與高精度探測的需求還有一定差距，這已成為精密測量、精確探測和定位技術發展的瓶頸，并制約相關高精尖裝備的發展。

光纖傳感技術的迅速發展，滿足了多種控制系統對信息獲取與傳輸的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，作為系統信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。目前，光纖傳感技術研究的主要方向包括（1）多用途，即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量；（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度；（3）新型傳感材料、傳感技術等。近十幾年來，基于在數據傳輸安全性、傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術優勢，量子通信和量子傳感等量子信息技術[2-5]得到了快速發展，特別是具有較好應用前景的量子光纖傳感技術也開始得到越來越多的研究。

量子傳感器通常是指利用量子效應設計的用于感應或測量被測量的裝置，量子傳感器被認為是下一代高精確和高分辨率的傳感系統。量子傳感器的實現方法包括基于量子糾纏、激光冷原子和量子光纖傳感的實現方式。按功能區分，量子傳感技術主要包括量子光纖陀螺儀、量子光纖水聽器、量子雷達、量子磁力儀和量子光纖傳感器等。目前，量子光纖傳感器具有更好的實用性。美國國防先期研究計劃局DARPA已經立項量子傳感器的研究專題。美國的NIST和Los Alamos國家實驗室主要從事基于TES的微觀粒子探測技術，基于超導SQUID的磁場探測技術等。

由于量子信號對干擾十分敏感，任何形式的傳輸損耗和干擾都將導致量子數據丟失或產生突發量子誤碼，利用這些原理可以用于設計量子光纖傳感器，并將在精密測量、精確探測等技術領域發揮重要作用。

以下首先介紹強度調制型光纖傳感器基本原理，然后介紹一種強度調制型的量子光纖傳感器。

二、基本原理

傳統強度調制型光纖傳感器的工作原理是[1]，利用被測量的擾動改變光纖中的光信號（寬譜光或窄帶光）的強度，通過測量輸出光強的變化規律實現對被測量的測量。由于環境參數變化擾動與光強損耗存在較好的線性關系，強度調制型光纖傳感器的性能比較穩定，靈敏度和測量精確度都比較高。目前強度調制型光纖傳感器依然是應用最廣泛的一種光纖傳感器。由于強度調制型光纖傳感器的理論模型還不夠系統化，并且由于傳感器的測量結果取決于射入光強變化特性、傳感光纖的耦合損耗、傳輸損耗、光電器件的耦合損耗等綜合因素，因此測量精確度有限。傳統強度調制型光纖位移傳感器（比如圖1所示的透射式光纖位移傳感器）的分辨率很難達到nm量級。

通過對傳統光纖傳感器的性能分析發現，在傳統光纖傳感器的不敏感區域或盲區，對量子傳感系統來說卻是一個具有更高自由度的極其敏感的測量區域，這正好是設計量子光纖傳感器的良好基礎。

通過對光纖彎曲式強度調制型光纖傳感器進行模擬發現，在光纖極度彎曲的情況下并緩慢松開的過程中，量子信號檢測器對通過彎曲光纖的光子數極其敏感，而傳統的光纖信號檢測儀器存在一定的測量盲區。

下面介紹如何基于強度調制型透射式光纖位移傳感器實現一個更高分辨率的強度調制型量子光纖傳感器。對于多模透射式光纖位移傳感器（如圖1所示），其耦合系數與軸間距的關系為：

其中N是光纖纖芯折射率與包層折射率的比值，r是光纖纖芯半徑，x是軸間距。根據公式（1）計算，多模透射式光纖位移傳感器的耦合系數與軸間距具有較好的線性關系（如圖2所示）。

通過計算可以可知，在射入光強度為0dBm、多模纖芯半徑r=1×10-4m的情況下，當耦合系數達到-70dB量級時，即位移x與纖芯半徑r之比接近1.9999時，輸出光強已達到幾十到幾百pW的變化量，由于光纖傳感器的工作方式和檢測方法的局限性，傳統光纖位移傳感器已不敏感。本文稱x/r大于1.9999并小于2的取值區間為傳統強度調制型光纖傳感器的極限區域。但是這個極限區域對于具有更高測量精度的測量儀器（比如pW量級分辨率的功率計或具有更高分辨率的單光子計數器）來說依然是一個較強的光信號，并且能夠被準確測量出來。

三、強度調制型量子光纖傳感器

與傳統強度調制型光纖傳感器的思路不同，我們采用如圖3所示的傳感方式（其中隔光板的作用是消除環境噪聲干擾，同時避免強光進入傳感光纖），即從傳統光纖傳感器耦合系數的極限值開始移動（并且僅僅在極限值區域內進行精確測量），任意小的位移都將導致一定數量級的光子進入傳感器，可以根據單光子計數器檢測到的光子數量水平或光強大小測量位移等環境變化量，同時也可以采用高分辨率的功率計進行直接測量。

如圖3所示的透射式光纖位移傳感器，在不考慮實際傳感器的硬件系統參數影響的情況下，當耦合系數為-140dB時，位移量為10-9r； 當耦合系數為-125dB時，位移量為10-8r，以此類推。比如對于r=1×10-4m的多模光纖傳感器，當傳感光纖位移從0.001nm變化到0.01nm時，即軸間距從1.99999999r移動到1.9999999r，其耦合系數相差約15dB，也即一個數量級的位移具有大約15dB的自由度，因此靈敏度更高。由于此時的耦合系數小于-110dB，它對于傳統的傳感器和檢測器來說是一個不可分辨的光強波動，而對于具有量子分辨率的功率計或單光子計數器來說依然是一個較強的光信號，并且只要有任何一點位移，就會導致光子射入傳感光纖，進而被單光子計數器測量出來，因此可以根據光子數的多少判別這種微小位移量的大小。

根據公式（1）計算，當比值x/r從1.9999增加到1.99999999時，光強損耗約為60dB，相當于位移在10-4r到10-8r之間，每一個數量級上有15dB的自由度，因此，對于具有量子分辨率的功率計或單光子計數器來說是可以利用的自由度。從圖4可以看出，當x/r從1.99999增加到1.999999時，耦合系數相差約15個dB，位移與耦合系數具有更好的線性關系，可以通過直接測量微弱傳感光信號的光功率或單光子數量水平對微弱環境干擾（位移、溫度、壓力、輻射等）進行直接測量。因此這個區域是進行高精度測量的理想區域，在這個區域進行測量具有更高的靈敏度和分辨率。

研究表明，量子光纖傳感器的分辨率比傳統光纖傳感器高2個數量級以上。

四、結束語

傳統高、精、尖技術發展瓶頸問題的解決需要新型的技術途徑，量子光纖傳感器技術在突破測量精確度、探測靈敏度和準確度等方面將發揮重要作用， 基于本文提出的方法可以設計量子光纖水聽器，在海洋探測和測量領域有重要應用前景。但是設計可投入實用的量子光纖水聽器等量子光纖傳感器依然具有較大的難度，加大投入對于相關技術發展至關重要。

總之，近十年，量子傳感技術發展迅速，方興未艾。量子傳感的新型應用途徑也值得深入發掘。毋庸置疑，量子傳感在信息技術領域中的實際應用將改變未來信息對抗的格局。

參考文獻

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作者簡介：陳娟（1982.12-），女，漢族，河南商水，工程師/本科，目前主要從事高性能光纖傳感技術研發。